今日開始學習嵌入式實時操作系統RTOS：UCOS-III實時操作系統

本次目標是入門RTOS，理解多任務系統......

本文只是個人學習筆記，基本都是對網上資料的整合......

目錄

STM32裸機與RTOS區別：

?裸機中斷示例：

?RTOS對優先級的處理：

?裸機總結：

RTOS (Real Time OS)總結：

?多任務系統的理解：

任務的特性：

搶占式調度:

系統時間管理 :

任務的“獨立”：

網上查閱資料學習：

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STM32裸機與RTOS區別：

以下為AI生成內容：

從并發性和模塊化角度來看，RTOS相較于裸機開發具有更好的表現。RTOS支持多任務并發執行，提高了程序的并發工作效率，并且其設計遵循高內聚、低耦合的原則，使程序結構更加清晰。而在裸機開發中，程序通常是在一個無限循環中運行的，沒有多任務、線程的概念，這在處理復雜任務時可能會受到限制。

其次，從生態和可重用性方面考慮，RTOS也更具優勢。RTOS提供了豐富的軟件組件和庫，這些組件和庫可以幫助開發者更快地構建復雜的應用程序。同時，RTOS還支持軟件組件的重用，避免了重復造輪子的問題。而在裸機開發中，由于沒有操作系統的支持，開發者需要自行處理所有底層細節，這可能會導致開發周期變長且難以維護。

此外，實時性方面也是兩者的重要區別。RTOS被設計用于需要嚴格時間控制的實時應用，如工業控制、實時數據采集等。RTOS提供了低延遲、高可靠性和可預測性的特性，能夠滿足這些應用對實時性的高要求。而在裸機開發中，由于沒有操作系統的調度和管理，實時性可能無法得到保證，特別是在處理復雜任務時。

最后，從硬件控制和資源管理角度來看，裸機開發需要直接控制和管理硬件資源，包括處理器、內存、外設等。這通常涉及與硬件的寄存器交互，需要開發者具備較高的硬件知識。而在RTOS中，操作系統提供了對硬件的抽象層和服務，開發者可以通過操作系統提供的API來訪問和控制硬件資源，降低了開發的復雜性。

?裸機中斷示例：

這樣的中斷刷新標志，然后再主函數查詢FLAG==1的方式，會出現一個問題：

就是必須先執行完前倆個打游戲(); 回復消息();函數才會輪到FLAG==1的查詢，如果那倆個函數占用時間過長，則失去了 去醫院();的該有的中斷即時性

?RTOS對優先級的處理：

RTOS會給每個任務分配優先級，函數 去醫院();? 優先級明顯是最高，但RTOS有更精妙的CPU利用安排：假設去醫院();中有個過程需要等待掛號，等待掛號時 CPU是空閑的，那這段空閑不會被浪費，而是能繼續分配給 打游戲();? 回復消息();

?裸機總結：

裸機又稱為前后臺系統，前臺是中斷服務函數，后臺是指的大循環，即應用程序

1、實時性差（應用程序輪流執行）

2、delay();函數 效率低 （延時空等待、CPU不執行別的任務代碼）

3、結構臃腫 小型項目沒問題，大項目很差

RTOS (Real Time OS)總結：

實時操作系統，強調了實時性

1、分而治之：實際功能劃分多任務

2、延時函數：任務調度

3、搶占式：高優先級任務搶占低優先級任務

4、任務堆棧：每個任務都有自己的堆棧空間

注意：

1、高優先級任務一直在執行，那低優先級任務將一直不會被執行

2、中斷可以打斷任意任務

3、任務可以有同等優先級

?多任務系統的理解：

?這部分是查閱文章學習抄錄的：

就像我們用電腦時可以同時聽歌，上網，編輯文檔等。

在多任務系統中，可以同時執行多個并行任務，各個任務之間互相獨立。通過操作系統執行任務調度而實現宏觀上的“并發運行”。從宏觀上不同的任務并發運行，好像每個任務都有自己的 CPU 一樣。 其實在單一 CPU 的情況下，是不存在真正的多任務機制的，存在的只有不同的任務輪流使用 CPU，所以本質上還是單任務的。但由于 CPU 執行速度非常快，加上任務切換 十分頻繁并且切換的很快，所以我們感覺好像有很多任務同時在運行一樣。這就是所謂的多任務機制。

多任務的最大好處是充分利用硬件資源，如在單任務時（大循環結構，如大部分 51

程序）遇到 delay 函數時，CPU 在空轉；而在多任務系統，遇到 delay 或需等待資源時系

統會自動運行下一個任務，等條件滿足再回來運行先前的任務，這樣就充分利用了 CPU，

提高了效率。

任務的特性：

搶占式調度:

調度的概念，通俗的說就是系統在多個任務中選擇合適的任務執行。系統如何知道

何時該執行哪個任務？可以為每個任務安排一個唯一的優先級別，當同時有多個任務就

緒時，優先運行優先級較高的任務。

同時，任務的優先級也作為任務的唯一標識號。代碼中都是對標識號來完成對任務

的操作的。如 OSDelPrioRdy(prio)，OSSetPrioRdy(prio)等。

不同的優先級對應就緒表中的每一位。低位對應高優先級。優先級 0 的優先權最高，

優先級 31 的優先權最低。

“搶占式調度”是指：一旦就緒狀態中出現優先權更高的任務，便立即剝奪當前任務的運行權，把 CPU 分配給更高優先級的任務。這樣 CPU 總是執行處于就緒條件下優先級最高的任務。

系統時間管理 :

與人一樣，多任務系統也需要一個“心跳”來維持其正常運行，這個心跳叫做時鐘節拍，通常由定時器產生一個固定周期的中斷來充當，頻率一般為 50-100Hz。

OSTimeDly 函數就是以時鐘節拍為基準來延時的。這個函數完成功能很簡單，就是先掛起當起當前任務，設定其延時節拍數，然后進行任務切換，在指定的時鐘節拍數到來之后，將當前任務恢復為就緒狀態。任務必須通過 OSTimeDly 或 OSTaskSuspend 讓出 CPU的使用權，使更低優先級任務有機會運行。

在 T0 的中斷服務函數中，依次對各個延時任務的延時節拍數減 1。若發現某個任務的延時節拍數變為 0，則把它從掛起態置為就緒態。

任務的“獨立”：

一個任務有自己的 CPU，堆棧，程序代碼，數據存儲區，那這個任務就是一個獨立的任務。

程序代碼：

每個任務的程序代碼與函數一樣，與 51 的裸奔程序一樣，每個任 務都是一個大循環。

數據存儲區：

由于全局變量是系統共用的，各個任務共享，不是任務私有，所以這里的數據存儲區是指任務的私有變量，局部變量可以使其變成私有。因為編譯器是把局部變量保存在棧里的，所以好辦，只要任務有個私有的棧就行

私有棧的作用是存放局部變量，函數的參數，它是一個線性的空間，所以可以申請一個靜態數組，把棧頂指針 SP 指向棧的數組的首元素（遞增棧）或最后一個元素（遞減棧）。即可打造一個人工的棧出來。

每個任務還要有記錄自己棧頂指針的變量，保存在任務控制塊（ TCB ）中。

任務控制塊：

系統中的每個任務具有一個任務控制塊，任務控制塊記錄任務執 行的環境，這里的任務控制塊比較簡單，只包含了任務的堆棧指針和任務延時節拍數。

任務私有CPU：

只有一個 CPU ，各個任務共享，輪流使用。如何才能實現？

先來看看中斷的過程：當中斷來臨時， CPU 把當前程序的運 行地址，寄存器等現場數據保存起來（一般保存在棧里），然后跳到中斷服務程序執行。待 執行完畢，再把先前保存的數據裝回 CPU 又回到原來的程序執行。這樣就實現了兩個不同 程序的交叉運行。

借鑒這種思想就能實現多任務了：模仿中斷的過程就可以實現任務切換運行。

任務切換：

任務切換時，把當前任務的現場數據保存在自己的任務棧里面，再把待運行的任務 的數據從自己的任務棧裝載到 CPU 中，改變 CPU 的 PC ， SP ，寄存器等。可以說，任務的 切換是任務運行環境的切換。而任務的運行環境保存在任務棧中，也就是說，任務切換的 關鍵是把任務的私有堆棧指針賦予處理器的堆棧指針 SP 。 兩個任務的切換過程如下：

網上查閱資料學習：

最后感謝以下互聯網的大佬們的文章視頻供我們學習交流：

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